數(shù)字定時(shí)： 時(shí)鐘信號(hào)、抖動(dòng)、遲滯和眼圖

　　了解時(shí)鐘信號(hào)的數(shù)字定時(shí)以及諸如抖動(dòng)、漂移、上升時(shí)間、下降時(shí)間、穩(wěn)定時(shí)間、遲滯和眼圖等常用術(shù)語。 本教程是儀器基礎(chǔ)教程系列的一部分。

　　1. 時(shí)鐘信號(hào)

　　發(fā)送數(shù)字信號(hào)其實(shí)發(fā)送的就是一串由0或1組成的數(shù)字序列。 然而，與不同設(shè)備進(jìn)行通信時(shí)，定時(shí)信息要與發(fā)送的位相關(guān)聯(lián)。 數(shù)字波形作為時(shí)鐘信號(hào)的參考。 您可以將時(shí)鐘信號(hào)看成是一個(gè)指揮者，它為數(shù)字電路系統(tǒng)的各個(gè)部分提供定時(shí)信號(hào)，使每個(gè)過程都可在精確的時(shí)間點(diǎn)觸發(fā)。

　　時(shí)鐘信號(hào)是具有固定周期的方波。 周期是指一個(gè)時(shí)鐘邊沿到下一個(gè)同類時(shí)鐘邊沿之間的時(shí)間間隔，最常用的方式是一個(gè)上升沿到下一個(gè)上升沿之間的時(shí)間間隔。 時(shí)鐘的頻率等于時(shí)鐘周期的倒數(shù)。

　　圖1. 數(shù)字波形作為時(shí)鐘信號(hào)的參考，時(shí)鐘信號(hào)具有固定周期，在數(shù)據(jù)傳輸過程中用固定的時(shí)間間隔來同步數(shù)字信號(hào)發(fā)射器和接收器。

　　時(shí)鐘信號(hào)的占空比是波形處于所占的時(shí)間比。 圖2展示了兩個(gè)具有不同占空比的波形的區(qū)別 您可以發(fā)現(xiàn)占空比為30%的波形處于的時(shí)間少于占空比為50%的波形。

　　圖2.信號(hào)的占空比是指波形處于的時(shí)間百分比。

　　時(shí)鐘信號(hào)用于在數(shù)據(jù)傳輸過程中同步數(shù)字信號(hào)發(fā)射器和接收器。 比如，發(fā)射器可以在時(shí)鐘信號(hào)的每個(gè)上升沿發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)位，接收器可使用相同的時(shí)鐘讀取數(shù)據(jù)。 在這種情況下，設(shè)備的確定邊沿是上升沿(從低電平到高電平)。 對(duì)于其他設(shè)備則可能是下降沿(從高電平到低電平)。 時(shí)鐘的確定邊沿又稱為有效時(shí)鐘邊沿。 數(shù)字信號(hào)發(fā)射器在每個(gè)有效時(shí)鐘邊沿觸發(fā)新的數(shù)據(jù)發(fā)送，而接收器則在每個(gè)有效時(shí)鐘邊沿上進(jìn)行采樣。 后來的設(shè)備開始同時(shí)使用時(shí)鐘的上升驗(yàn)和下降沿;這種設(shè)備被稱為雙倍數(shù)據(jù)速率傳輸(DDR)設(shè)備。 事實(shí)上，數(shù)據(jù)傳輸對(duì)于有效邊沿有短暫的短延;這種延時(shí)稱為時(shí)鐘到輸出時(shí)間。

　　當(dāng)接收器依據(jù)采集時(shí)鐘接收數(shù)據(jù)時(shí)，我們需要注意兩個(gè)定時(shí)參數(shù)，以確保接收數(shù)據(jù)的可靠性。 建立時(shí)間(ts)是指數(shù)據(jù)連續(xù)處于有效邏輯電平且接收器準(zhǔn)備好接收輸入信號(hào)所需的時(shí)間。 保持時(shí)間(tH)是指接收器采樣后，數(shù)據(jù)發(fā)生變化前需要保持在原有狀態(tài)的時(shí)間。 建立時(shí)間和保持時(shí)間在接收器的時(shí)鐘有效邊沿附近形成了一個(gè)穩(wěn)定的窗口，以便接收器能夠可靠地采集數(shù)據(jù)。 圖3給出了一個(gè)上升沿時(shí)鐘信號(hào)的建立時(shí)間和保持時(shí)間。 通常，數(shù)字信號(hào)會(huì)在上升軌跡的中間切換電壓;因此時(shí)間基準(zhǔn)標(biāo)志通常放置在信號(hào)邊沿的正中央。

　　圖3.建立時(shí)間和保持時(shí)間在接收器的時(shí)鐘有效邊沿附近形成了一個(gè)穩(wěn)定的窗口，以便接收器能夠可靠地采集數(shù)據(jù)。

　　2. 常用術(shù)語

　　在數(shù)字電路系統(tǒng)中，定時(shí)是最重要的因素之一。 數(shù)字通信的可靠性和精確度均取決于定時(shí)的質(zhì)量。 然而，在實(shí)際應(yīng)用中，任何事物都不是理想的。 以下是一些可以幫助您理解特定數(shù)字信號(hào)定時(shí)功能的常用術(shù)語和方法。

　　抖動(dòng)

　　抖動(dòng)是指事件的理想定時(shí)與實(shí)際定時(shí)之間的偏差。 為了理解這個(gè)概念，假設(shè)您正在發(fā)送一個(gè)數(shù)字正弦波并在坐標(biāo)紙上繪制其圖形。 每個(gè)正方形相當(dāng)于一個(gè)時(shí)鐘脈沖;由于垂直線之間的間隔是等距的，因此最后我們可以得到一個(gè)完美的周期性時(shí)鐘信號(hào)。 在每個(gè)時(shí)鐘脈沖上，您獲取3個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)并將各點(diǎn)繪制在坐標(biāo)紙上。 由于它具有周期性，因此您得到一個(gè)精準(zhǔn)的正弦波。

　　圖4. 周期性采樣時(shí)鐘可讓數(shù)字系統(tǒng)進(jìn)行正確、精準(zhǔn)的通信。

　　現(xiàn)在，我們假設(shè)垂直線之間不是等距的。 這樣會(huì)使時(shí)鐘信號(hào)的周期性不那么明顯。 當(dāng)您繪制數(shù)據(jù)時(shí)，它們之間的間隔并不相同，因此看起來不正確。

　　圖5. 如果時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生了抖動(dòng)，將引起數(shù)字波形發(fā)生變形。

　　在圖5中，您可以看到時(shí)鐘信號(hào)電平的切換距離是不均勻的;這就是時(shí)鐘的抖動(dòng)。 盡管上圖抖動(dòng)較為夸張，但是它說明了抖動(dòng)的時(shí)鐘會(huì)導(dǎo)致采樣在不均勻的時(shí)間間隔上觸發(fā)。 這種不均勻?qū)е乱涗浐蛷?fù)制的波形發(fā)生變形。

　　現(xiàn)在看看只有1和只有0的數(shù)字信號(hào)的抖動(dòng)。 請(qǐng)記住，抖動(dòng)是指事件的理想定時(shí)與真實(shí)定時(shí)之間的偏差。 請(qǐng)注意單脈沖，抖動(dòng)是指實(shí)際信號(hào)邊沿定時(shí)與理想時(shí)間位置的偏差。

　　圖6.單脈沖抖動(dòng)是邊沿定時(shí)的偏差

　　抖動(dòng)通常從基準(zhǔn)信號(hào)的過零點(diǎn)處測(cè)量。 它通常來自于串?dāng)_、同步轉(zhuǎn)換輸出和其他定期發(fā)生的干擾信號(hào)。 抖動(dòng)會(huì)隨著時(shí)間而發(fā)生改變，因此抖動(dòng)的測(cè)量和量化可以是在秒級(jí)抖動(dòng)范圍內(nèi)通過示波器進(jìn)行目視估算，也可以是按統(tǒng)計(jì)學(xué)方法進(jìn)行測(cè)量，比如標(biāo)準(zhǔn)差隨時(shí)間的變化。

　　漂移

　　另一個(gè)常見的定時(shí)問題是漂移。 當(dāng)發(fā)射器的時(shí)鐘周期與接收器的周期稍有不同時(shí)便會(huì)發(fā)生時(shí)鐘漂移。 起初，這種漂移影響不大。 然而，隨著時(shí)間的推移，這兩種時(shí)鐘信號(hào)之間的差別可能會(huì)變得顯著，并導(dǎo)致同步失敗或其他問題。

　　上升時(shí)間、下降時(shí)間和畸變

　　從理論上講，即使存在漂移，數(shù)字信號(hào)電平從0變化到1也只是瞬間發(fā)生。 然而，在實(shí)際中，信號(hào)從高電平變到低電平需要一定的時(shí)間。 上升時(shí)間(trise)是指信號(hào)從低電平變化到高電平，也就是從電壓的20%上升到80%所需要的時(shí)間。 下降時(shí)間(tfall) 是指信號(hào)從低電平變化到高電平，也就是從電壓的80%下降到20%所需要的時(shí)間。

　　圖7.上升時(shí)間和下降時(shí)間指示了信號(hào)在低電平和高電平之間轉(zhuǎn)換所需的時(shí)間。

　　此外，在真實(shí)情況下，信號(hào)幾乎不會(huì)達(dá)到電壓電平并穩(wěn)定地保持在該電平上。 當(dāng)信號(hào)在邊沿之后超過電壓電平時(shí)，峰值失真被稱為過沖。 如果信號(hào)在邊沿之前超過了電壓電平時(shí)，峰值失真被稱為前沖。 在邊沿之間，如果信號(hào)漂移低于電壓電平時(shí)，則稱為下沖。

　　圖8.過沖、前沖和下沖統(tǒng)稱為偏差。

　　過沖、前沖和下沖統(tǒng)稱為偏差。 偏差的發(fā)生可能是由于電路板布局問題、不適時(shí)的終止或者半導(dǎo)體設(shè)備本身的質(zhì)量問題。